Kraft und Bewegungsänderung

Überblick

Newton wurde nach dem Tode seines Vaters geboren und wuchs bei der Mutter und Großmutter auf. Er besuchte die Dorfschule, später die Lateinschule des Nachbarstädtchens Grantham. Ein Onkel, der Pfarrer war, bewirkte, dass der Knabe nicht den väterlichen Bauernhof übernehmen musste, sondern seiner starken Neigung zu mathematischen Studien, experimentellen Untersuchungen und handwerklichen Konstruktionen folgen durfte. So bezog er mit 18 Jahren die Universität Cambridge und hatte dort das Glück, in Isaac Barrow einen Mathematiklehrer zu finden, der seine Begabung förderte. Als 1665 die Pest England heimsuchte, verbrachte Newton zwei Jahre daheim in Woolsthorpe. Er hat selber bekannt, dass er damals in der Blüte seiner schöpferischen Kräfte stand. Sowohl seine Leistungen in der Infinitesimalrechnung wie in der Mechanik und Optik haben ihre Wurzel in jener Zeit.

• Zerlegung des weißen Lichts in Spektralfarben
  Von Barrow angeregt, beschäftigte er sich mit optischen Arbeiten. Er wollte ein Fernrohr von größerer Schärfe bauen, konnte aber keine Linsen ohne Farbzerstreuung schleifen. Um die Entstehung dieser Farben zu prüfen, untersuchte er das Licht mit einem Prisma. Er ließ einen Sonnenstrahl durch ein Loch ins verdunkelte Zimmer fallen, sammelte ihn mit einer Linse auf das Prisma und wunderte sich, dass das dahinter erscheinende Farbenband fünfmal länger als breit war. Wenn er ein zweites Prisma verkehrt hinter das erste hielt, wurde das Farbenband wieder in einem weißen Lichtkreis gesammelt. Ein anderer Versuch offenbarte den Grund für die Verlängerung des farbigen Bildes. Er stellte ein Brett mit einem Loch senkrecht in das Farbenband auf, so dass nur ein einzelner farbiger Strahl durch das Loch fiel, und brachte ein zweites Prisma in den Gang des einfarbigen Strahles. Dieser wurde nochmals gebrochen, behielt aber seine Farbe. Indem Newton den Versuch mit jeder Farbe wiederholte, zeigte es sich, dass die roten Strahlen am wenigsten, die violetten am stärksten gebrochen wurden und dass dies mit dem Ergebnis der Zerstreuung hinter dem ersten Prisma übereinstimmte. Newton zog den Schluss: Das weiße Licht ist aus Strahlen verschiedener Brechbarkeit zusammengesetzt, und die Farbe ist mit der Brechbarkeit untrennbar verbunden. Daher schien es, als ob es keine Linsen ohne Farbzerstreuung geben könne.

• Spiegelteleskop
  Statt eines Linsenfernrohrs wollte Newton daher ein Spiegelfernrohr bauen. Um einen gut schleifbaren spiegelnden Stoff zu erhalten, begann er seine Versuche über Metallschmelzen. 1668 und 1671 konnte er nach langwierigen Schleifarbeiten die zwei ersten Spiegelfernrohre vollenden. Das zweite brachte ihn mit der Royal Society in Verbindung.

• Newton-Ringe
  Im Gebiete der Optik beschäftigten ihn auch die regenbogenfarbigen Ringe, die sich beim Aufeinanderlegen zweier Linsen zeigen. Er nahm genaue Messungen vor und brachte jede Farbe mit den Dicken der Luftschicht zwischen den beiden Linsen in Beziehung und man bezeichnete das Phänomen fortan als die newtonschen Ringe. Auch die von Grimaldi entdeckten Farbränder der Schatten schmaler Körper wurden genauer geprüft. Erst 1704 ließ er seine zum Lehrgebäude geordnete 'Optik' erscheinen. Ihren Schluss bilden 31 ausführliche Fragen über ungeklärte Gegenstände. Er wollte die Erscheinungen der Natur nach Maß und Zahl ergründen.

• Astronomie und Mechanik
  Die größten Entdeckungen machte Newton in der Astronomie. Galilei hatte ausgesprochen, dass ein einmal angetriebener Körper sich unbeschleunigt fortbewege; eine Änderung des Bewegungszustandes ergebe sich nur, wenn eine neue Kraft einwirke. Die Anziehungskraft der Sonne schien die Planeten auf ihrer Bahn zu führen; eine entgegenwirkende Fliehkraft schien zu verhindern, dass sie gegen die Sonne stürzen. Aus dem dritten keplerschen Gesetz, das die Umlaufzeiten der Planeten mit ihren Sonnenabständen in Beziehung setzt, folgerte Newton, dass die Anziehung der Sonne mit dem Quadrate der Entfernung abnehme.
  "Hieraus weiter schließend, verglich ich die Kraft, die nötig ist, um den Mond in seiner Bahn zu halten, mit der Schwerkraft auf der Erdoberfläche und fand, dass sie fast genau gleich sind."
  Newton vermutete also, dass die Anziehung, die das Fallen der Körper bewirkt, bis zum Mond reiche und ihn ständig von der geradlinigen Bewegung ablenke. Da der Mond sich in einem Abstand von 60 Erdradien befindet, sollte die Erdanziehung dort 3600mal schwächer sein als auf der Erdoberfläche. Aus Bahngröße und Umlaufzeit des Mondes ließ sich seine sekundliche "Fallstrecke" zur Erde berechnen. Der erhaltene Wert mal 3600 sollte dem Weg entsprechen, den ein Körper auf der Erdoberfläche in der ersten Sekunde durchfällt. Die Rechnung ergab eine zu kleine Zahl; es schienen Descartes' Wirbel das Fallen des Mondes zu bremsen.
  
  1682 erfuhr Newton, dass die Erde größer sei, als man bisher angenommen hatte. Eine Gradmessung von Jean Picard in Frankreich ergab den neuen Wert. Der um 60 Erdradien entfernte Mond war somit weiter weg, die Bahn länger, die sekundliche Fallstrecke größer. Nun stimmte der Vergleich mit dem Fallraum der Körper auf Erde; die Wirbel schieden aus, und die Bewegungen der Planeten und Monde konnten mathematisch erfasst werden. Innerhalb kürzester Zeit vollendete Newton nun sein Hauptwerk 'Philosophiae naturalis principia mathematica' (Mathematische Grundlagen der Naturwissenschaft). Durch weiter intensive Gedankenarbeit erkannte er plötzlich - nach der Legende vom Betrachten des fallenden Apfels - , dass man sich zu ihrer Berechnung die Anziehungskraft der Erdmasse in ihrem Mittelpunkt vereinigt denken muss. Von dort ausgehend wirkt sie längs der Verbindungsgeraden zum Mittelpunkt einer anderen Kugel, also z.B. des Mondes, und umgekehrt. Die Kräfte müssen im Verhältnis zu den Massen stehen.
  
  In der Sitzung der Royal Society vom 28.April 1686 lag Newtons Handschrift vor. Der Astronom Edmond Halley übernahm die Organisation und die Kosten der Drucklegung. Er stand seit längerer Zeit mit Newton in Verbindung und wusste, dass hier Aufgaben gelöst worden waren, an denen er selber und andere sich vergeblich versucht hatten. Das Werk umfasst drei Teile. Die beiden ersten behandeln, von den newtonschen Axiomen ausgehend, mathematisch die Bewegung der Körper, während der dritte allgemeiner verständlich das Weltgebäude erläutert. So wird dort das Prinzip der allgemeinen Gravitation dargelegt, wonach zwei Körper sich im Verhältnis ihrer Massen und im umgekehrten Verhältnis ihres Abstandes anziehen. Nicht nur Sonne und Planet oder Planet und Mond, sondern auch Sonne und Mond oder Planet und Planet. Aus wechselnden gegenseitigen Stellungen gehen die Ungleichheiten der Mondbahn und die Bahnstörungen der Planeten hervor.
  
  Newton unterschied die Begriffe Masse und Gewicht. An der Erdoberfläche wirkt die Fliehkraft des sich drehenden Planeten der Anziehung entgegen. Derselbe Stein muss am Nordpol schwerer sein als am Äquator. Das Gewicht verringert sich durch die Fliehkraft; die Masse bleibt dieselbe. Die Erde sollte an den Polen abgeplattet sein.
   

Die Prägestätte hatte ihre Leistung vervielfacht. Jetzt fand Newton wieder etwas freie Zeit. 1701 veröffentlichte er eine 'Tabelle der Wärmemengen und Wärmegrade'; 1703 baute er aus sieben Linsen ein überaus kräftiges Brennglas. Im gleichen Jahr wurde er Präsident der Royal Society. England hatte einen neuen König bekommen, und dieser war bereit, den Druck eines wissenschaftlichen Werkes zu finanzieren. Newton dachte an Flamsteeds großen Sternenkatalog und betreute seine Herausgabe.

Nachdem Newton schon früher Auseinandersetzungen mit Robert Hooke zu bestehen gehabt hatte, sah er sich , als er 1704 endlich eine Fluxionsrechnung vorlegte, in Prioritätsstreitigkeiten mit Leibniz über die Erfindung der Differentialrechnung verwickelt. Schöne Erfolge waren für ihn dagegen die Herausgabe der beiden erweiterten Neuausgaben seiner 'Prinzipien' in den Jahren 1713 und 1726.

Die Physik des 18. Jahrhunderts wurde zunehmend von Newton geprägt. Die Gravitationslehre erwies ihre Fruchtbarkeit. Auf dem Festland wurde sie gepflegt von Daniel Bernoulli und Leonhard Euler, dann von den Franzosen Alexis-Claude Clairaut und Jean le Rond D'Alembert, von Joseph-Louis Lagrange und besonders von Pierre-Simon Laplace. In Deutschland erwuchsen ihr in Carl Friedrich Gauß und Friedrich Wilhelm Bessel weitere Träger.